پژوهش جدیدی که نشان می‌دهد فوتوالکترون ها دقیقا چگونه متولد می‌شوند

پژوهش جدیدی که نشان می‌دهد فوتوالکترون ها دقیقا چگونه متولد می‌شوند

یکی از بنیادی‌ترین فرایندها در برهمکنش نور و ماده، بوجود آمدن فوتوالکترون‌ها از طریق یونش می‌باشد. همچنان سوال‌های عمیقی درباره‌ی چگونگی انتقال تکانه‌ی خطی توسط فوتون‌ها به الکترون‌ها وجود دارد. فیزیک‌دانان دانشگاه ETH، بر اساس اولین مطالعه‌ی زیر فمتوثانیه‌ای بر روی انتقال تکانه‌ی خطی فوتون طی فرایند یونش، دیدگاه کاملا جدید و بی‌سابقه‌ای درباره تولد فوتوالکترون‌ها ارائه کرده‌اند.

برهمکنش نور و ماده، پایه و اساس بسیاری از پدیده‌های بنیادی و همچنین فناوری‌های گوناگونی است. مشهورترین پدیده راجع به برهمکنش نور و ماده، پدیده‌ی فوتوالکتریک است که در آن، الکترون‌ها از ماده‌ای که در معرض تابش نوری با انرژی مناسب قرار گرفته، ساطع می‌شوند. منشا این پدیده، برای مدت طولانی یک معما بود و تنها با پیدایش نظریه‌ی کوانتومی و به لطف نبوغ اینشتین، واقعا درک شد. اینشتین، برای کشف قوانین حاکم بر پدیده‌ی فوتوالکتریک، جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1921 را دریافت کرد. بعد از توضیح اثر فوتوالکتریک، این پدیده کاربردهای بسیار زیادی از طیف‌سنجی گرفته تا دستگاه‌های دید در شب را به ارمغان آورد. در برخی موارد مهم، اصل کلیدی، نه انتقال انرژی، بلکه انتقال تکانه‌ی خطی (یا ضربه) از فوتون‌ها به الکترون‌هاست. این همان اتفاقی است که در سرد کردن اشیا میکروسکوپی و ماکروسکوپی با استفاده از لیزر رخ می‌دهد.
علی‌رغم اهمیت بنیادی انتقال تکانه، جزئیات دقیق چگونگی انتقال ضربه‌ی فوتون به ماده، هنوز بطور کامل درک نشده است. یک دلیل این است که تکانه‌ی منتقل شده، در یک چرخه‌ی نوری بسیاری سریع و در مقیاس زیر فمتوثانیه تغییر می‌کند. اطلاعاتی که تاکنون از مطالعه‌ی این پدیده بدست آمده، بیشتر مربوط به رفتار متوسط زمانی و بدون در نظر گرفتن جنبه‌های وابسته به زمان انتقال تکانه‌ی خطی طی فوتویونش بوده است. این خلا اطلاعاتی و علمی، اکنون با تلاش گروه پروفسور کلر (Ursula Keller) از موسسه‌ی الکترونیک کوانتومی و بنابر مقاله‌ای که در مجله‌ی Nature Communications منتشر گردیده، پر شده است.
آن‌ها لیزر با شدت تابشی بالا را بعنوان گزینه‌ی مطالعه انتخاب کردند. در این مورد، چند فوتون در فرایند یونش دخیل هستند. آن‌ها بررسی کردند که چه مقدار تکانه در جهت انتشار لیزر، منتقل می‌شود. محققان برای اینکه به دقت زمانی کافی دست یابند، از روشی بنام آتوکلاک (attoclock) استفاده کردند که در طول دهه‌ی گذشته، در آزمایشگاه پروفسور کلر توسعه و بهبود یافته است. در این روش، دقت زمانی آتوثانیه، بدون اینکه لزومی به تولید پالس‌های لیزری آتوثانیه باشد، حاصل می‌شود. در عوض، اطلاعاتی راجع به بردار میدان لیزر چرخنده استفاده می‌شود.
فیزیک‌دانان ETH با استفاده این ابزار قدرتمند توانستند میزان تکانه‌ی خطی دریافت شده توسط الکترون‌ها را نسبت به زمانی که فوتوالکترون‌ها متولد می‌شوند، تعیین کنند. آن‌ها متوجه شدند که میزان تکانه‌ی منتقل شده به الکترون در جهت انتشار لیزر، در واقع به زمان آزاد شدن الکترون از ماده (در این آزمایش، اتم‌های زنون ماده‌ی مورد نظر بودند)، در طول دوره‌ی نوسان لیزر بستگی دارد. این یعنی اینکه حداقل برای طرح آن‌ها، تصویر متوسط زمانی فشار تابشی، کاربرد ندارد. بسیار جالب توجه است که آن‌ها می‌توانند رفتار مشاهده شده را بطور کاملا مشابه، در یک مدل کلاسیکی نیز بازتولید کنند. این در حالی است که بسیاری از طرح‌های برهمکنش نور و ماده مانند اثر پراکندگی کامپتون، فقط می‌توانند در چارچوب یک مدل کوانتومی بیان شوند.
البته به منظور محاسبه‌ی برهمکنش بین فوتوالکترون خارج‌شونده و یون زنون باقیمانده، مدل کلاسیکی باید بسیار توسعه می‌یافت. برهمکنشی که آن‌ها در آزمایش خود نشان داده‌اند، یک تاخیر آتوثانیه‌ای در زمان‌سنجی انتقال تکانه‌ی خطی نسبت به پیش‌بینی نظری برای ایجاد یک فوتوالکترون آزاد در طول پالس بوجود می‌آورد. اینکه چنین تاخیرهایی یک ویژگی عمومی فوتویونش هستند یا فقط در طرح‌هایی که در این آزمایش بررسی شده‌اند، بکار می‌روند یا خیر، یک سوال باز است. با این وجود، چیزی که واضح است، گشودن مسیر جدید و هیجان‌انگیزی برای کشف ماهیت بنیادی برهمکنش‌های نور و ماده توسط گروه کلر، آن هم با اولین کار مطالعاتی انجام شده بر روی انتقال تکانه‌ی خطی در طول فرایند یونش در مقیاس‌های زمانی طبیعی این فرایند می‌باشد. نتایج بدست آمده از این پژوهش، امیدهای بسیاری را برای علم آتوثانیه ایجاد کرده است.
 


منبع: phys.org
كلمات كليدي :
فوتوالکترون
 
امتیاز دهی
 
 

login